熊小元， 余新明，李 明，劉林雙

(1.長江航道局 國家內河航道整治工程技術研究中心，武漢 430010; 2.長江航道規(guī)劃設計研究院，武漢 430040)

荊江河段上起枝城，下迄洞庭湖出口處的城陵磯，全長約347.2 km。由于自身的復雜自然特性，加之三峽工程影響，部分河段河床演變劇烈，洲灘變遷頻繁，航槽極不穩(wěn)定，礙航情況頻發(fā)[1-3]。為改善長江中游荊江河段的航道條件，2013年開始實施了荊江河段航道整治工程，工程包含了39 km高灘守護工程、21 km護岸加固工程，其功能主要是守護高灘灘緣岸線，穩(wěn)定航道邊界，遏制航道邊界沖刷崩退，防止航槽過水斷面寬淺化，保持航道條件穩(wěn)定[4]。同時，隨著國民經濟的發(fā)展和人們對生態(tài)環(huán)境的重視，對航道整治的生態(tài)保護要求也越來越高，航道工程結構的生態(tài)屬性越來越得到重視[5-7]。因此，在荊江河段航道整治工程中，大量采用了生態(tài)護岸護灘結構，其中采用最多的是鋼絲網格結構。

鋼絲網格結構具有較好的固土、滲透、生態(tài)種植性能好等特點，是一種普遍使用的工程結構[8-10]，在長江中游馬家咀、瓦口子等航道整治工程中廣泛使用，取得了較好的工程效果。但工程實踐也發(fā)現，常規(guī)的鋼絲網格結構存在護坡時機與植被生長時間不一致，也存在著護坡時機與植被生長時間沖突、消落帶植被很難恢復等問題，工程效益和生態(tài)效益不佳。為此，研發(fā)了一種新型植生型鋼絲網格結構。工程實踐表明，這種結構可以較好地提高航道整治工程整治效益和生態(tài)效益。

1 新型植生型鋼絲網格護坡結構研究

1.1 鋼絲網格有效厚度分析

航道整治工程中鋼絲網格主要用于護坡，其抗傾能力要求較高，對鋼絲網格按照排體結構型式進行抗傾計算。

式中：V為鋼絲網格邊緣流速，m/s；Vcr為鋼絲網格邊緣臨界流速，m/s，設計最大流速取3 m/s；θ為系數，取2；rR′為鋼絲網格相對浮重度；g為重力加速度，取9.81(m/s2)；tm為等效厚度；rm為鋼絲網格重度，取24 000(N/m3)；rw為水的重度，取10 000(N/m3)。計算表明鋼絲網格的等效厚度為16.4 cm。即鋼絲網格的有效厚度為17 cm就能夠滿足結構穩(wěn)定性的要求。

從經濟角度考慮，目前鋼絲網格的標準厚度有17 cm和23 cm兩種，如果采用塊石填充網格，兩種結構都是安全的。從經濟角度看，采用17 cm厚的鋼絲網格則更為經濟。但為實現其生態(tài)功能，則應增加鋼絲網格厚度，即在鋼絲網格護坡實施完成后，在鋼絲網格上方采用覆土、種草等方式進行綠化，但這種方式在流速較大的區(qū)域或水位上漲較快、植被還未完全生長出來的時候是很難達到效果的。

要實現鋼絲網格的生態(tài)效應，就是要解決水流、土和植被之間的相互關系，盡可能的增加植被生長時間，減少水流對植被的淹沒以及對土壤的淘刷時間，以促進植被的生長達到固土的作用，進而實現生態(tài)和綠化的效果。如果植被在水位上漲前有足夠的生長時間，其根系和枝葉就會很發(fā)達，植被的根系可以起到固結土壤、將土壤連接成為整體、減少水流沖刷的作用，同時，枝葉可以降低水流的流速，減少水流的沖刷，起到保護土壤和自身的作用；如果水流淹沒時間短，植被成活的幾率就會增大，在下個生長期就可以鞏固固土的效果。反之，岸坡的綠化效果就很難實現。

傳統(tǒng)綠化工藝的缺陷主要是覆蓋在鋼絲網格上面的土、種子等沒有得到保護，在水流的作用下容易流失。為達到預期的效果，必須對傳統(tǒng)的綠化工藝進行改進，可考慮在岸坡工程結構施工的同時進行綠化的施工，也就是將土、種子等放在鋼絲網格內部。

1.2 鋼絲網格護坡結構研究

1.2.1 鋼絲網格結構的改進

鋼絲網格的蓋板網孔較大，為6 cm × 8 cm，為保證后期效果，可考慮兩種方法，一種為減小蓋板網孔的大小，第二種為采用土工材料縫制的土工袋的方式將土和種子的混合物包裹起來。結構型式見圖1。如考慮減小鋼絲網格蓋板網孔尺寸，有兩種思路：一是在制造過程中，將6 cm×8 cm的孔距減小到一定幅度，如2 cm×4 cm；二是保持原網距大小不變，在蓋板上通過附著其他材料的網狀物體來達到減小孔距的目的。用于鋼絲網格制作的鋼絲都是鍍高爾凡鋼絲，造價較高，單純的減小孔距會造成單價提高很多，因此，第一種方法不適合。采用第二種方法，提出了通過增加一層蓋板，并進行錯縫覆蓋，以實現減小網孔的要求(見圖2)，經過測算，錯縫后的網孔大小約為3 cm×4 cm，此種方式可有效減小網孔，但造價仍較高，不適合作為改進的結構型式。

結合加筋三維網墊護高灘的使用效果，在第二種方法基礎上，提出了蓋板可采用加筋三維網墊進行代替。加筋三維網墊是將發(fā)絲狀聚丙烯材料擠壓于機編六邊形雙絞合鋼絲網面上形成的，鋼絲采用鍍高爾凡鋼絲。加筋三維網墊通過將塑料和金屬材料相混合，優(yōu)勢互補，在不增加鋼絲的基礎上實現減小網格網孔的目的，適用于水流流速不大于3 m/s的護灘(坡)系統(tǒng)。加筋三維網墊厚度為12 cm，鋼絲網格尺寸仍為6 cm×8 cm。通過在鋼絲網格上增加聚丙烯材料后能大大減小網孔的空隙，能滿足設計的要求，同時也不會導致成本過多增加。加筋三維網墊見圖3。

圖1 結構型式示意圖Fig.1 Ecological steel mesh structure schematic圖2 網孔錯縫加蓋示意圖Fig.2 Mesh interlaced cover structure schematic圖3 加筋三維網墊圖Fig.3 Reinforced three-dimensional mesh mat

1.2.2 鋼絲網格結構型式及尺寸

植生型鋼絲網格，由六邊形雙絞合金屬網和蓋板構成的金屬網墊結構，填充石料和土用于防止邊坡沖刷及坡體快速綠化。植生型鋼絲網格的邊板、端板、隔板及底板是由一張連續(xù)不裁斷的六邊形雙絞合鋼絲網組成，蓋板為加筋三維網墊。23 cm厚植生型網格填充石料厚17cm，填充石料后進行土和草種的填充，可采用人工踏實，土中草籽的種類需根據當地實際情況選取。植生型鋼絲網格采用鍍高爾凡防腐處理，網面抗拉強度為30 kN/m。

植生型鋼絲網格的尺寸設計為6 m×2 m×0.23 m，網格尺寸為6 cm×8 cm，網格鋼絲直徑為2.0 mm，端鋼絲直徑為2.4 mm，邊鋼絲直徑為2.7 mm，絞邊鋼絲直徑為2.2 mm，鋼絲采用厚鍍高爾凡進行防腐蝕處理。采用卵石或塊石進行填充，石料要求粒徑在7～15 cm。

1.2.3 鋼絲網格結構優(yōu)點

植生型鋼絲網格護坡優(yōu)點包括：在草皮沒有長成之前，可以保護土地表面免遭風雨的侵蝕和水流的沖刷；可以保持草籽均勻地分布在坡面的土層上，免受風吹雨沖而流失；黑色網墊能大量吸收熱能，增加地濕、促進種籽發(fā)芽，縮短植物生長期，加快植被的生長；植物生長起來后形成的復合保護層，可經受高水位、大流速的沖刷(可經受4～5 m/s的流速)。

2 施工工藝設計

植生型鋼絲網格的施工工藝主要包括鋼絲網組裝、鋼絲網格安裝、石料填充、填充土和草種、封蓋作業(yè)和澆水、養(yǎng)護等環(huán)節(jié)。

2.1 鋼絲網組裝

取出完整的鋼絲網，校正彎曲、變形部份。展開鋼絲網，提拉隔板、邊板、端板，使其與底板垂直。翻起邊板，用點扎的形式固定隔板與邊板以及邊板與端板。用于轉彎段的鋼絲網格，可通過裁剪鋼絲網格單元進行套接處理。

2.2 鋼絲網格安裝

在符合設計要求的岸坡上放線確定出鋼絲網格擺放的位置。將組裝好的鋼絲網格按照一定的要求緊密整齊地擺放在恰當的位置上。擺放時鋼絲網格用于坡面防護時隔板要平行于水流方向。坡面較陡或者坡面較為光滑容易引起施工過程中鋼絲網格下滑的情況，建議在坡頂加木樁固定。用點扎的方式將相鄰鋼絲網格單元進行聯接，防止各單元之間留有縫隙給后面的裝填、封閉蓋板造成不必要的麻煩。

2.3 石料填充

石料根據當地實際情況，可選擇卵石或塊石。石料必須從坡腳往坡頂方向進行裝填；同時相臨隔板、邊板兩側的石料也宜同時進行裝填。表面部分是關系到整個鋼絲網格護坡外觀效果的關鍵所在，宜選擇粒徑較大、表面較為光滑的石料進行擺放，且擺放得平整、密實。

2.4 填充土和草種

石料填充完成后，在其上方填充土、肥料和草種的混合物，厚度為6 cm，考慮到沉降、石料間縫隙、密實等因素，填充厚度應根據具體情況加大。

2.5 封蓋作業(yè)

絞合蓋子之前，檢查鋼絲網格是否裝填飽滿、密實，上表面是否平整；對鋼絲網格外輪廓進行檢查，對一些彎曲變形、隔板上邊緣下埋、表面不平整等不符合施工要求的地方進行校正。用一定長度的絞合鋼絲將加筋三維網墊蓋板與邊板、端板、隔板的上邊緣聯接在一起。絞合嚴格按照間隔10～15 cm單圈-雙圈-單圈進行絞合，每絞合1 m長的邊緣采用1.3～1.4 m長的絞合鋼絲，且每根長鋼絲連續(xù)絞合邊緣的長度不超過1 m；相鄰鋼絲網格的端板或邊板上邊緣鋼絲必須與蓋板邊緣鋼絲緊密地絞合在一起。

2.6 澆水、養(yǎng)護

整個施工作業(yè)完成后，應及時澆水灌溉，灑水養(yǎng)護時間為15 d，待植被生長后，養(yǎng)護的間隔可適當加大，但要進行相應的灌溉、施肥、農藥除蟲等。

3 現場試驗研究

3.1 現場試驗方案

依托周天河段張家榨護岸工程局部區(qū)域，開展現場試驗，工程平面布置主要為：在周天河段右岸張家榨一帶4 924 m岸線進行護岸及加固，以進一步穩(wěn)定周公堤水道過渡段的出口，使深槽離岸較近處均得到保護。現場試驗于2014年4月初開展。根據荊江河段不同的高程布置不同的耐淹能力植物品種，考慮到植生型鋼絲網格主要應用于枯水平臺4 m以上，該區(qū)域較為適合灌木區(qū)域的生長，因此，本次植物品種有4種：狗牙根、枸杞、疏花水柏枝、秋華柳。具體方案為在樁號C58～C61平均分為A+4、B+4、C+4共計區(qū)域，長度分別為18 m(3個鋼絲網格)，分別栽種枸杞+狗牙根、疏花水柏枝+牛鞭草、秋華柳+雙穗雀稗。

3.2 現場試驗效果分析

3.2.1 中期生長情況

于2014年6月13日對實驗岸坡植被生長情況開展觀測，此時水位在枯水平臺上2～3 m。枸杞、疏花水柏枝、秋華柳新芽發(fā)育，全部成活，高度在5～10 cm之間，長勢良好(圖4)。

圖4 植被生長圖(2014-06) 圖5 試驗段總體情況(2014-11)Fig.4 Photo of vegetation growth state(2014-06) Fig.5 Photo of general condition (2014-11)

3.2.2 第一次退水后生長概況

于2014年11月5日對退水后的實驗區(qū)域植被生長情況進行了跟蹤觀測。枸杞、疏花水柏枝、秋華柳新芽發(fā)育，根深扎于土壤，并漫生新株，高度在10 cm左右，長勢良好，成活率達90%以上。傍生的狗牙根長勢較好，但部分區(qū)域受水力沖刷，土壤流失較重，流失面積達30%～40%，植被覆蓋率相比高水位區(qū)域較低。枸杞、疏花水柏枝、秋華柳灌木在一個洪水期后，生長良好，能夠滿足生態(tài)護坡要求；但苗源分布不集中，特別是疏花水柏枝、秋華柳苗源不足，如進一步推廣應用，需設置培育苗源基地(圖5)。

3.2.3 一年度后生長情況

2015年5月22日，對生長一年后的實驗區(qū)域植被生長情況進行了跟蹤觀測?，F場調查發(fā)現，經過一年生長期后，灌木區(qū)植被生長較好，灌木區(qū)有少量雙穗雀稗、狗牙根、疏花水柏枝、秋華柳、牛鞭草、稗草等成活，其中狗牙根長勢較好，但部分區(qū)域受水流沖刷，土壤流失較重，流失面積達30%～40%，植被覆蓋率相比高水位區(qū)域較低。灌木區(qū)傍生了較多當地植被如五月艾、白車軸草、野紫蘇、酸漿草等。灌木區(qū)植被生長受意外因素影響較大，特別是受人為影響較大，本次調查發(fā)現區(qū)域岸坡有放牧的情況，少量的灌木可能受到人為破壞(圖6)。

6-a 雙穗雀稗(Dallas grass)6-b 狗牙根(Bermuda grass)6-c 疏花水柏枝(Myricaria laxiflora)

6-d 秋華柳(Autumn willow)6-e 牛鞭草(Hemarthria altissima)6-f 稗草(Echinochloa crusgalli)圖6 灌木區(qū)典型植被生長狀況(2015-05)Fig.6 Vegetation growth state in shrub area (2015-05)

4 結語

針對傳統(tǒng)鋼絲網格存在的不足，從抗水流沖擊，抗傾穩(wěn)定，經濟性和生態(tài)等角度分析了鋼絲網格結構，提出了植生型鋼絲網格結構。

(1)結構由六邊形雙絞合金屬網和蓋板構成的金屬網墊結構，填充石料和土用于防止邊坡沖刷及坡體快速綠化。植生型鋼絲網格的邊板、端板、隔板及底板是由一張連續(xù)不裁斷的六邊形雙絞合鋼絲網組成，蓋板為加筋三維網墊。網格厚度為23 cm，植生型網格填充石料厚17 cm，填充石料后進行土和草種的填充，可采用人工踏實，土中草籽的種類需根據當地實際情況選取。植生型鋼絲網格采用鍍高爾凡防腐處理，網面抗拉強度為30 kN/m。

(2)植生型鋼絲網格的尺寸設計為6 m×2 m×0.23 m，網格尺寸為6 cm×8 cm，網格鋼絲直徑為2.0 mm，端鋼絲直徑為2.4 mm，邊鋼絲直徑為2.7 mm，絞邊鋼絲直徑為2.2 mm，鋼絲采用厚鍍高爾凡進行防腐蝕處理。采用卵石或塊石進行填充，石料要求粒徑在7～15 cm之間。

(3)植生型鋼絲網格具有保護土地表面免遭風雨的侵蝕、保持草籽均勻分布、吸收熱能、促進種籽發(fā)芽、縮短植物生長期、植被和網格復合保護等特點。其施工工藝主要包括鋼絲網組裝、鋼絲網格安裝、石料填充、填充土和草種、封蓋作業(yè)和澆水、養(yǎng)護等環(huán)節(jié)。

(4)依托周天河段張家榨護岸工程開展現場試驗，種植后中期,枸杞、疏花水柏枝、秋華柳新芽發(fā)育，全部成活，高度在5～10 cm之間，長勢良好，第一次退水期后，各類植物新芽發(fā)育，根深扎于土壤，并漫生新株，長勢良好，成活率達90%以上。一年度后，各類植物基本成活，但部分區(qū)域受水流沖刷，放牧等影響，植被生長仍受到小幅影響。